基于探究式教學(xué)提升學(xué)生核心素養(yǎng)
——以初中物理“光的折射”為例

黃 鵬

(重慶巴蜀常春藤學(xué)校,重慶 401127)

2016年9月教育部發(fā)布了《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》的研究成果,明確了中國學(xué)生發(fā)展的3個方面、6大素養(yǎng)和18個基本要點,[1]其中物理核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”、“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個要素構(gòu)成.物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的關(guān)鍵能力和必備品格,是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分,是物理學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn).

探究式教學(xué)是提升物理核心素養(yǎng)的重要有效途徑.從形式上看,探究式教學(xué)表現(xiàn)出模擬科學(xué)探究的特點;從組織結(jié)構(gòu)上看,它強調(diào)以學(xué)生為中心,強調(diào)學(xué)生對知識的主動探究和主動發(fā)現(xiàn);從目標(biāo)分析上看,它著重培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力與科學(xué)品質(zhì).[2,3]加強探究式教學(xué)的研究對學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)至關(guān)重要.初中物理“光的折射”集物理現(xiàn)象、物理概念、物理規(guī)律、知識應(yīng)用于一體.是培養(yǎng)學(xué)生能力和鍛煉學(xué)生思維的經(jīng)典教學(xué)案例,值得深入研究.筆者在2017年第5屆“華夏杯”全國物理教學(xué)創(chuàng)新大賽中執(zhí)教了“光的折射”,嘗試融合類比建模、直覺猜想、證偽、逆向思維等思想方法,借這節(jié)課的探究式教學(xué)設(shè)計與同仁們探討如何提升學(xué)生物理核心素養(yǎng).

1 理清關(guān)系,分級制定,目標(biāo)明確

學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)是對三維目標(biāo)的提煉和升華,是三維目標(biāo)的高階表達．要提升學(xué)生核心素養(yǎng)和物理學(xué)科核心素養(yǎng),首先要理清學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)、學(xué)科核心素養(yǎng)、課程標(biāo)準之間的關(guān)系:學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的具體表達,學(xué)科課程標(biāo)準是完成任務(wù)的目標(biāo)理念和要求.[4]因此,可以把學(xué)生核心素養(yǎng)作為終極追求的一級目標(biāo),學(xué)科核心素養(yǎng)作為學(xué)科特色的二級目標(biāo),學(xué)科課程標(biāo)準作為具體實施的三級目標(biāo).“光的折射”一課的學(xué)科核心素養(yǎng)具體化目標(biāo)分級制定見表1.

表1 分級目標(biāo)

筆者將“光的折射”一課中的物理觀念、科學(xué)探究、科學(xué)思維和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等物理學(xué)科核心素養(yǎng)對應(yīng)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的3個方面,并基于義務(wù)教育物理課程標(biāo)準分解教學(xué)目標(biāo).[4]既有對以往三維目標(biāo)的繼承和發(fā)展,更有對物理學(xué)科核心素養(yǎng)在本節(jié)課中的具體落實.這樣的教學(xué)目標(biāo)明確具體,邏輯清晰,操作性強.

2 創(chuàng)設(shè)情境,引入新課,激趣生疑

通過一個學(xué)生耳熟能詳?shù)墓适隆白^天”導(dǎo)入情境:當(dāng)枯井中無水時,利用光的直線傳播,學(xué)生容易確定青蛙看到的天空范圍;如果風(fēng)云變幻、大雨傾盆,使井中注滿水,青蛙看到的天空范圍會變化嗎?如圖1,用攝像頭模擬青蛙的眼睛,用底部透明的杯子模擬水井,桌子下面是模擬夜空.讓學(xué)生親眼看到加水后,青蛙能看到的星星變多.為什么看到的星星會變多呢?帶著疑問進入新課.

圖1 模擬“坐井觀天”

基于核心素養(yǎng)的探究式教學(xué)需要學(xué)生積極的學(xué)習(xí)態(tài)度作為支撐,而創(chuàng)設(shè)情境是誘發(fā)學(xué)生探究興趣的有效手段.通過生動有趣的情境導(dǎo)入可以提高學(xué)生的積極性,使學(xué)生從課堂學(xué)習(xí)之初,就對本節(jié)課將要進行的探究產(chǎn)生濃厚的興趣.[2]

3 建立模型,提出概念,引起新疑

圖2 光的折射實驗光路

通過演示激光斜射入水(滴幾滴牛奶)中,學(xué)生可以觀察到:光從空氣斜射入水中時,傳播方向發(fā)生了偏折,在水面處還同時發(fā)生了反射.面對實驗現(xiàn)象,建立物理模型,把光的折射現(xiàn)象用如圖2所示的光路模型表達出來,運用類比(光的反射)的方法,介紹入射光線、折射光線、法線、入射角和折射角等概念,為折射規(guī)律的探究打下基礎(chǔ).由此提出新問題:光的折射遵循怎樣的規(guī)律呢?

通過實驗現(xiàn)象,使學(xué)生獲得感性認識,不僅激發(fā)學(xué)生探究意識,還加深了學(xué)生對物理現(xiàn)象的認識,培養(yǎng)了學(xué)生結(jié)合物理現(xiàn)象建立物理模型的能力.模型的建立自然引出對折射規(guī)律的探究.

4 科學(xué)探究,尋找規(guī)律,總結(jié)方法

先和學(xué)生一起回顧光的反射定律:3線共面、兩線分居、兩角相等以及光路可逆.類比光的反射,學(xué)生很容易猜想光的折射規(guī)律,從而展開對光的折射規(guī)律探究.

4.1 教師演示,3線關(guān)系

介紹探究3線關(guān)系的實驗器材,如圖3所示.它是一個右面可以翻折的光屏,先將它們固定在同一平面,讓一束光從空氣斜射入玻璃,此時學(xué)生可以觀察到入射光線,折射光線和法線;然后翻折光屏的右面,看是否還能接收到折射光線.如果不能接收到折射光線,3線共面;反之則3線不在同一平面.同時發(fā)現(xiàn)在改變?nèi)肷浣堑倪^程中,兩條光線一直位于法線兩側(cè).

圖3 自制光的折射演示儀

4.2 學(xué)生探究,兩角關(guān)系

介紹學(xué)生探究所用的實驗器材,帶激光器的刻度盤、水和玻璃,著重通過實驗介紹光線通過半圓形玻璃磚的特點，如圖4所示.為了得到更普遍的規(guī)律,奇數(shù)組探究光在空氣和水之間的折射規(guī)律,偶數(shù)組探究光在空氣和玻璃間的折射規(guī)律.強調(diào)實驗中的注意事項:激光不要照射眼睛;分工合作,有人操作,有人記錄;通過學(xué)案上記錄的數(shù)據(jù)總結(jié)規(guī)律.記錄表格見表2和表3.

圖4

入射角i30°40°50°60° 折射角r

從表2的數(shù)據(jù)中,學(xué)生歸納總結(jié)出入射角和折射角之間的規(guī)律: ① 當(dāng)光從空氣斜射入玻璃或水時,折射角小于入射角.② 折射角隨著入射角的增大而增大,隨著入射角的減小而較小.

表3

從表3的數(shù)據(jù)中,學(xué)生歸納總結(jié)出入射角和折射角之間的規(guī)律: ① 當(dāng)光從玻璃或水斜射入空氣時,折射角大于入射角.② 折射角隨著入射角的增大而增大,隨著入射角的減小而減小.從以上兩個表格的數(shù)據(jù)中,學(xué)生可以對比總結(jié)出光的折射也是光路可逆的.得出以上結(jié)論后小組間可以交流數(shù)據(jù)和結(jié)論,看得出的結(jié)論是否具有普遍性.

總結(jié)出以上基本規(guī)律后,鼓勵學(xué)生跳出表格的束縛,引導(dǎo)學(xué)生自由探究特殊情況: ① 當(dāng)光垂直入射到介質(zhì)表面時,光的傳播方向不發(fā)生偏折,此時入射角和折射角都等于0°.② 當(dāng)光從水或者玻璃斜射入空氣時,入射角增大,會出現(xiàn)折射光線消失的現(xiàn)象.一般學(xué)生都會發(fā)現(xiàn)全反射現(xiàn)象,教師不要回避,最好在肯定學(xué)生之后,簡單介紹它是高中階段將學(xué)習(xí)的全反射現(xiàn)象,并且鼓勵學(xué)生課下進一步研究.

探究教學(xué)的核心是關(guān)注物理知識的生成和論證過程.通過物理現(xiàn)象激發(fā)學(xué)生的興趣是培養(yǎng)學(xué)生觀察能力的基本途徑,形成具體的物理現(xiàn)象有助于學(xué)生建立物理模型,是形成物理概念和規(guī)律的前提.[5]從現(xiàn)象到概念規(guī)律的認識,是完成從感性認識到理性認識的第一次飛躍過程,學(xué)生經(jīng)歷“觀察現(xiàn)象——建立模型——類比猜想——實驗檢驗——交流評估”的探究過程,不僅獲得了物理的基本概念和規(guī)律,更獲得了科學(xué)探究的方法,也提高了思維能力和團隊意識.

5 前后呼應(yīng),釋疑解難,學(xué)以致用

用光的折射規(guī)律來解釋日常生活中的現(xiàn)象是本節(jié)課的難點,但由于折射規(guī)律的探究是非常充分的,規(guī)律是學(xué)生自己通過實驗探究得出的,教學(xué)難點得到較輕松突破.

5.1 解釋“坐井觀天”

圖5 “坐井觀天”光路圖

為什么有水時青蛙看到的天空范圍變大了?引導(dǎo)學(xué)生畫出如圖5所示的光路圖,由于光發(fā)生了折射,光從空氣斜射入水中時,不在沿直線傳播,因折射角小于入射角,此時進入青蛙眼睛的光線應(yīng)來自于更外側(cè),所以更大范圍的天空進入了青蛙眼睛.理解了“坐井觀天”的實驗原理后,介紹電影《戰(zhàn)狼Ⅱ》里面坦克的觀察窗,如果要擴大坦克兵看到的范圍,學(xué)生很容易聯(lián)想到裝入玻璃或水,因為它和“坐井觀天”有異曲同工之妙.

5.2 解釋“叉魚”

圖6 “叉魚”光路圖

在社會日益文明和發(fā)達的今天,學(xué)生也應(yīng)該掌握一些基本的生存技能,引出“叉魚”實驗.在魚缸側(cè)壁貼上一條卡通魚,讓學(xué)生先通過觀察孔瞄準卡通魚,然后用攝像頭檢驗學(xué)生的確瞄準了目標(biāo),接著鎖定觀察孔不動,將魚叉滑入觀察孔卻叉到了魚的上方.為什么瞄準了卻叉到魚的上方?引導(dǎo)學(xué)生任取兩條魚反射的光線到水面,作出兩條折射光路,學(xué)生很容易理解兩個折射角的大小關(guān)系(∠4>∠2),判斷出兩條折射光線是發(fā)散的,從而很好的理解折射形成的虛像在真實物體的上方.

5.3 解釋“星星眨眼”

圖7

“一閃一閃亮晶晶,滿天都是小星星”是我們熟悉的歌謠,可是為什么會出現(xiàn)“星星眨眼”呢?如圖7所示,先利用酒精噴燈和激光筆(帶滿天星燈頭)模擬星光閃爍,接著引導(dǎo)學(xué)生分析酒精噴燈起到加熱空氣和引起氣流的作用,然后聯(lián)系到大氣層本來就是不均勻的,因此星光穿過大氣層要發(fā)生多次折射.又由于大氣層不是穩(wěn)定的,大氣的擾動就會使星光的偏折程度不斷變化,一會兒進入人的眼睛,一會兒偏離人的眼睛,所以人們看到了星星閃爍.可以通過類比艷陽天時,水的動蕩引起觀察到的游泳池底晃動,幫助學(xué)生理解;還可以介紹俗語“星星眨眼,離雨不遠”,因為星星閃爍越厲害,說明高空氣流越不穩(wěn)定,天氣很可能發(fā)生變化,讓學(xué)生感受勞動人民的智慧.

物理來源于生活,又高于生活.物理探究式教學(xué)只有貼近生活,才能有效激活學(xué)生探究之源,使學(xué)生在生活中學(xué)習(xí),又學(xué)會運用物理知識解釋生活中的現(xiàn)象,解決生活中的物理問題.這就是課程理念倡導(dǎo)的“從生活走向物理,從物理走向社會”.通過生活中的現(xiàn)象,不僅激發(fā)學(xué)生探究意識,也加深了學(xué)生對物理規(guī)律的理解,還培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維.探究身邊的問題可以使學(xué)生從被動接受變?yōu)橹鲃犹骄?有利于提升學(xué)生的核心素養(yǎng).

6 延伸課堂,逆行思維,感受神奇

在“叉魚”實驗中學(xué)生體驗的是人的視角,即從水上看水下物體,最后可以用視頻“神奇的射水魚”啟發(fā)學(xué)生逆向思維,從魚的視角結(jié)束本堂課.讓學(xué)生感受大自然的神奇,并思考:射水魚是直接瞄準的昆蟲嗎?請學(xué)生在課外繼續(xù)探究,還可以上網(wǎng)查詢相關(guān)資料.

要提升學(xué)生的核心素養(yǎng)離不開課堂探究學(xué)習(xí),但是物理探究教學(xué)不應(yīng)該局限于課堂,還要延伸到課外,為學(xué)生創(chuàng)造探究實踐的機會.[2]探究實踐活動比課堂探究具有更強的綜合性和自主性,對于學(xué)生物理觀念的內(nèi)化、科學(xué)思維的形成和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)等都有不可取代的重要作用.

7 小結(jié)

總之,基于探究式教學(xué)提升學(xué)生核心素養(yǎng)具有重要意義.科學(xué)探究是一個過程,是一種學(xué)習(xí)方式和科學(xué)研究的雛形,是一種學(xué)習(xí)物理觀念、發(fā)展科學(xué)思維、形成科學(xué)態(tài)度和責(zé)任的手段和途徑.[8]然而,如何設(shè)計系統(tǒng)的科學(xué)探究,仍然是一個復(fù)雜的課題,需要我們廣大教師的智慧和創(chuàng)造性.讓我們共同努力,為提升學(xué)生的核心素養(yǎng),把物理探究教學(xué)推向一個新境界.